迷宮式調(diào)節(jié)閥的研究和應(yīng)用

孫強(qiáng) 倪紅英 李棟偉

【摘 要】隨著600MW超臨界及1000MW超超臨界機(jī)組大規(guī)模建設(shè)，籠罩式及孔板式結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)閥已經(jīng)無法適應(yīng)高壓差、高流速的工況條件。而采用迷宮技術(shù)的調(diào)節(jié)閥給出了很好的解決方案。本文提出了迷宮式調(diào)節(jié)閥的工作原理、獨(dú)特結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和理論依據(jù)，并通過與孔板式籠罩式調(diào)節(jié)閥的比較，展現(xiàn)其極高的調(diào)節(jié)性能。

【關(guān)鍵詞】調(diào)節(jié)閥 迷宮式芯包 氣蝕 圍堰 流量 節(jié)流減壓

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，居民用電量的急劇攀升，我國各地的新建電廠如雨后春筍不斷孕育而生?！暗吞冀?jīng)濟(jì)”的來臨及全球的節(jié)能減排浪潮的席卷，能耗更低、發(fā)電效率更高的600MW超臨界機(jī)組及1000MW超超臨界機(jī)組將成為發(fā)展的必然趨勢(shì)，300MW及以下機(jī)組將被取代甚至關(guān)停。

雖然超臨界及超超臨界機(jī)組工作效率高、能耗少，但是由于其工作壓力及溫度要求更高，相應(yīng)對(duì)設(shè)備要求也提出了更高的要求。調(diào)節(jié)閥作為電站常規(guī)設(shè)備，在電站內(nèi)被大量使用，其作用就是調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)的流量、壓力等的變化，其調(diào)節(jié)的靈敏度及調(diào)節(jié)線型的精確性對(duì)電廠系統(tǒng)內(nèi)部的能耗也起著極其重要的作用，扮演著重要的角色。600MW超臨界機(jī)組及1000MW超超臨界機(jī)組的高參數(shù)及惡劣工況對(duì)調(diào)節(jié)閥精確調(diào)節(jié)提出了挑戰(zhàn)。同時(shí)也給如何防止氣蝕、閃蒸、紊流等現(xiàn)象對(duì)調(diào)節(jié)閥的致命破壞，振動(dòng)及噪音對(duì)安全的影響出了一道難題。

1 迷宮式調(diào)節(jié)閥工作原理

高流體速度是產(chǎn)生汽蝕、閃蒸、振動(dòng)及噪音的元兇，迷宮式調(diào)節(jié)閥能實(shí)現(xiàn)抗汽蝕、抗閃蒸、低振動(dòng)及低噪音，是由于它有效地控制高流體速度產(chǎn)生，同時(shí)也滿足最終控制的目的：就是更有效地在整個(gè)閥門行程中都能控制系統(tǒng)壓力和流速。

普通的閥門，介質(zhì)進(jìn)入閥門時(shí)其工況條件為：壓力為P1，流速為V1，當(dāng)介質(zhì)流動(dòng)到閥芯部分時(shí)，由于閥芯與閥座的節(jié)流作用，產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，因此速度會(huì)迅速增加至V2，而壓力會(huì)迅速降低至P2，低于該介質(zhì)的飽和蒸汽壓力PV。在這種情況下，介質(zhì)汽化，形成氣泡。當(dāng)介質(zhì)流過閥芯和閥座形成的頸縮部后，由于通道的改變，工況條件也發(fā)生了改變，壓力回升動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能，此時(shí)的壓力回復(fù)為P3，速度回復(fù)為V3，當(dāng)壓力超過該介質(zhì)的飽和蒸汽壓力PV時(shí)，剛才形成的氣泡就會(huì)發(fā)生破裂，產(chǎn)生極強(qiáng)的局部壓力。氣泡破裂時(shí)產(chǎn)生的巨大能量能在瞬間對(duì)閥芯、閥座等節(jié)流元件產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，形成所謂的汽蝕現(xiàn)象。如圖1所示。這樣勢(shì)必造成閥門的損壞、沖蝕，產(chǎn)生泄漏，并會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的噪音以及引起閥門內(nèi)件的震動(dòng)，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性和效率。由于汽蝕現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的表面應(yīng)力，因此單純靠采用提高閥芯、閥座的表面硬度是無法從根本上解決汽蝕現(xiàn)象所造成的后果。

從上可以發(fā)現(xiàn)，惡劣工況下閥門問題的產(chǎn)生主要來源于過高流速的介質(zhì)流過閥芯。汽蝕、沖刷、高噪音及管道振動(dòng)都是介質(zhì)流速未能得到控制的典型現(xiàn)象。

迷宮式調(diào)節(jié)閥門的抗汽蝕設(shè)計(jì)是利用迷宮式芯包多級(jí)降壓的原理，通過強(qiáng)制介質(zhì)流經(jīng)一系列的直角彎道使流速得到完全的控制，達(dá)到逐級(jí)降壓的目的。無論壓降大小，這些彎道的阻力使得介質(zhì)流速流出芯包的速度受到限制。經(jīng)過多級(jí)降壓，使介質(zhì)的壓力始終維持在介質(zhì)的汽化壓力PV之上，從而避免了汽蝕現(xiàn)象，消除了不安全因素。

迷宮式芯包（圖2）包括很多迷宮片，經(jīng)過電腐蝕加工形成很多通道，而每個(gè)通道能通過定量介質(zhì)。通道內(nèi)由一系列的直角彎道提供介質(zhì)阻力，根據(jù)電廠各種機(jī)組不同的參數(shù)，經(jīng)過精確的計(jì)算，選定不同彎道數(shù)，使得流經(jīng)迷宮式芯包的介質(zhì)速度始終限制在？30m/s。參照國外的成熟經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)流速小于30m/s時(shí)，對(duì)節(jié)流元件的沖蝕影響最小。

迷宮式閥芯把流體分為很多平行的流道，每一流道有特定數(shù)量的直角轉(zhuǎn)彎——迷宮，而每一個(gè)直角都減低流道介質(zhì)的速度頭。如“N”代表直角數(shù)量，則截流器速度V=便變成新的方程。

這原理用于迷宮閥門的閥芯盤片，使每一盤片每一通道的介質(zhì)速度得以控制在預(yù)定范圍，利用閥塞打開不同盤片數(shù)量，整個(gè)閥門行程控制都完全把介質(zhì)速度限制在預(yù)定值。這種設(shè)計(jì)跟多孔截流式閥芯是兩種完全的對(duì)比：截流器只把位能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，但這樣便有驚人的速度上升。迷宮閥芯能控制速度，保證收縮斷口壓力在汽化壓力以上（閥后壓力高于汽化壓力），便可防止汽蝕和閃蒸現(xiàn)象的形成。

2 獨(dú)特結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1加壓閥芯

在高溫工況下，對(duì)關(guān)閉性又要求很高時(shí)，加壓式閥芯就被采用在迷宮式調(diào)節(jié)閥中。加壓式閥芯可提供非平衡式閥芯的封閉性能，而對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推力要求只相當(dāng)于平衡式閥芯。

迷宮式加壓閥芯組件包括：一個(gè)先導(dǎo)閥、一個(gè)主閥芯及一個(gè)平衡密封件。一個(gè)很小的得到控制的流量由閥門入口通過閥帽流入閥蓋空間，對(duì)先導(dǎo)閥及主閥芯加壓。

當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)先導(dǎo)閥關(guān)閉，從而使整個(gè)閥芯成為一個(gè)不平衡閥芯。

加壓式閥芯可達(dá)到很高的關(guān)閉要求。在閥蓋空間閥芯之上的關(guān)閉壓力，施加在閥芯上而關(guān)緊閥門。執(zhí)行器只要具有關(guān)閉先導(dǎo)閥在主閥上的力即可。

當(dāng)閥門收到開啟信號(hào)時(shí)，執(zhí)行器提起先導(dǎo)閥桿，打開先導(dǎo)閥。先導(dǎo)閥使在閥蓋空間的壓力迅速消失，閥芯得到平衡。閥桿繼續(xù)開啟，拉起主閥芯。執(zhí)行器只需具有提升平衡式閥芯的力即可。

2.2圍堰

迷宮片還有一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是采用圍堰結(jié)構(gòu)（圖3所示）。其主要作用：均勻閥芯周圍壓力，保持閥芯對(duì)中；上層盤片與下層盤片出口處介質(zhì)相互作用，降低介質(zhì)流動(dòng)速度；避免下層盤片出口介質(zhì)對(duì)閥座的直接沖刷。

3 迷宮式調(diào)節(jié)閥實(shí)際應(yīng)用

3.1具體要求

某電廠600MW超臨界火電機(jī)組鍋爐給水泵再循環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥，能承受較大的壓降，調(diào)節(jié)靈敏性較好。

3.2基本參數(shù)

3.3選型

考慮到迷宮片的加工周期和生產(chǎn)成本，以及成熟的加工工藝，選擇迷宮片每片厚度為2.5mm，按流量特性曲線，入口設(shè)計(jì)為雙入口。并且考慮到系統(tǒng)中有可能存在垃圾微粒、焊渣等容易堵塞入口，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要增加陋余入口，每一入口的截面積為1.5×1.8。

3.4計(jì)算

根據(jù)迷宮式調(diào)節(jié)閥的工作原理：當(dāng)介質(zhì)流經(jīng)迷宮片通道時(shí)，經(jīng)過多級(jí)轉(zhuǎn)彎，限制介質(zhì)流速增加，保證每級(jí)流速？30m/s，從而降低對(duì)閥門密封面的沖刷。經(jīng)過多級(jí)轉(zhuǎn)彎后，V出口=V入口，V出口=。其中N為轉(zhuǎn)彎級(jí)數(shù)，H為壓頭，H=，亦即入口與出口的勢(shì)能差全部轉(zhuǎn)化為出口的動(dòng)能。？P=P入口-P出口，？為介質(zhì)密度，水T=180～200？C時(shí)，？=0.9X103kg/m3，根據(jù)工程流體力學(xué)定水頭下園柱形管嘴的出流：

其中？=0.82，對(duì)于迷宮盤片按照電廠提供參數(shù)可得：Q？=270t/h，？P=34MPa，A為流道總截面積A=1.5×3×16×n，得n=19.2?？紤]到入口堵塞等情況取n=19.2×1.2=23.04，則迷宮片由24片組成芯包。

4 迷宮式與籠罩孔板式再循環(huán)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)線形精度比較

4.1流量特性

調(diào)節(jié)閥的固有流量特性，就是流過閥門的相對(duì)流量系數(shù)和對(duì)應(yīng)的相對(duì)的行程之間的固有關(guān)系，即=f（）

式中 Cv—某開度下的流量

Cvmax—全啟狀態(tài)下的額定流量

l—某開度下的閥芯相對(duì)行程

L—閥芯額定行程

調(diào)節(jié)閥的固有流量特性與生產(chǎn)效能、能耗等有著莫大的關(guān)系。實(shí)際的使用過程中調(diào)節(jié)閥的工作流量特性常偏離設(shè)計(jì)理想流量特性，這樣會(huì)影響調(diào)節(jié)質(zhì)量，甚至引起安全隱患。因此選取更為優(yōu)質(zhì)的流量特性的調(diào)節(jié)閥極為重要。

4.2阻力特性

調(diào)節(jié)閥的阻力特性，即閥門阻力系數(shù)隨開度的變化特征，是描述調(diào)節(jié)閥運(yùn)行特性非常重要的參數(shù)。閥門阻力系數(shù)與測(cè)試介質(zhì)無關(guān)，是調(diào)節(jié)閥固有的特性。對(duì)于調(diào)節(jié)的阻力系數(shù)為：

式中ΔΡ—調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口之間的壓差

Ρ—運(yùn)行介質(zhì)密度

V—流體流動(dòng)速度

A—調(diào)節(jié)閥流道面積

Q—流體流量

4.3用于試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10869-2008電站調(diào)節(jié)閥、GB/T4213-2008氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的具體要求，對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)（圖4）。水池水經(jīng)過加壓泵，流過閥前流量計(jì)和測(cè)壓元件，進(jìn)入迷宮式調(diào)節(jié)閥，然后流出調(diào)節(jié)閥的同時(shí)經(jīng)過閥后測(cè)壓元件并返回水池。試驗(yàn)分別測(cè)出閥前閥后的壓力，從而得出閥前后的壓差，并計(jì)算流量系數(shù)Cv

Cv=1.17Q

式中Q—液體流量

ΔΡ—調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口之間的壓差

ρ/ρ0—相對(duì)密度（常溫下的水為1）

4.4測(cè)試數(shù)據(jù)的分析和比較

測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行后，對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將調(diào)節(jié)閥的進(jìn)出口壓差調(diào)整到合理區(qū)間，然后緩慢對(duì)測(cè)試調(diào)節(jié)閥進(jìn)行行程的變化操作，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣并記錄。測(cè)試后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算整理后得到表2～表5的數(shù)據(jù)。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，多級(jí)籠罩式孔板類和迷宮式再循環(huán)調(diào)節(jié)閥流量特性曲線和流阻特性曲線如圖5，6所示，從圖5可以不難發(fā)現(xiàn)迷宮式再循環(huán)調(diào)節(jié)閥流量特性與理想流量特性對(duì)比，顯然迷宮式調(diào)節(jié)閥在20%～80%非常接近理想的線性調(diào)節(jié)曲線。而籠罩孔板類調(diào)節(jié)閥相對(duì)貼合度就比較差了。從圖6中，可以發(fā)現(xiàn)迷宮式再循環(huán)調(diào)節(jié)閥在全開時(shí)的流阻系數(shù)為56.6，是籠罩孔板類調(diào)節(jié)閥的5倍以上。迷宮式調(diào)節(jié)閥阻力特性曲線與理想曲線在開度20%至全開狀態(tài)基本非常接近，幾乎重合。而籠罩孔板類的調(diào)節(jié)閥阻力特性曲線在40%開度時(shí)才與理想曲線接近。所以相比下來，迷宮式調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)更加精確更為理想，符合電站運(yùn)行時(shí)的實(shí)際需要。

5 結(jié)語

隨著600MW超臨界及1000MW超臨界機(jī)組的不斷投運(yùn)，由于機(jī)組的參數(shù)更加高，必定對(duì)調(diào)節(jié)閥設(shè)備提出更高的要求。迷宮式調(diào)節(jié)閥由于其卓越的抗氣蝕能力，穩(wěn)定的節(jié)流減壓效果以及精確的調(diào)節(jié)線形精度，將會(huì)在大機(jī)組上有所作為。本文通過簡單的分析，提出了迷宮式調(diào)節(jié)閥，很好地解決調(diào)節(jié)閥氣蝕、閃蒸、調(diào)節(jié)靈敏度不高的難點(diǎn)，也為國內(nèi)技術(shù)人員繼續(xù)深入研究和探索調(diào)節(jié)閥提供了一種新的解決方案。

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